带电压内环的三环直流调速系统设计与实践课程设计

控制系统设计与仿真课程设计报告题目：带电压内环的三环直流调速系统设计与实践班 级： 级自动化班学号( 姓名)：2009550指导教师：设计时间：2012 年 9 月目 录摘要1第一章 概述3第二章 设计任务与要求42.1 设计任务42.2 设内容计42.3 设计要求4第三章 理论设计63.1 方案论证63.2 系统设计63.2.1 电压调节器设计63.2.2 电流调节器设计73.2.3 转速调节器设计8第四章 系统建模及仿真实验104.1 MATLAB 仿真软件介绍104.2 仿真建模及实验114.2.1 双闭环仿真实验114.2.2 电压环加扰动的双闭环直流调速控制系统仿真154.2.3 电压环加扰动的三闭环直流调速控制系统仿真17第五章 实际系统设计及实验235.1 系统组成及工作原理235.2 设备及仪器245.3 实验过程255.4 实验数据28第六章 总结与体会33参考文献33西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 1 页摘 要电力拖动自动控制系统是电气工程及其自动化专业的必修课。电力拖动自动控制系统课程的内容包括闭环控制的直流调速系统、多环控制的直流调速系统、可逆调速系统、直流脉宽调速系统和位置随动系统。要掌握经典直流调速系统的基本概念、基本原理和基本规律；了解电力拖动自动控制系统的基本形式及其控制规律；了解经典直流调速系统的基本体系；能应用已有的数学知识对电力拖动自动控制系统进行定量计算和定性分析，培养分析问题和解决问题的能力；本次设计以带电压内环的三环直流调速系统为主。在直流调速系统中，转速、电流双闭环直流调速系统是应用最广的直流调速系统，传统的设计方法为工程设计方法，它对被控对象的模型做了理想化和近似处理，故工程设计方法是一种近似的设计，而对一些高性能系统要求起制动超调小、动态速降小、恢复时间短，则需采用更为先进的控制策略。为了获得良好的静、动态性能，电压、转速和电流调节器一般都采用 PI 调节器，文中设计了两个调节器输入输出电压均标出实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压 Uc 为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。还有调节器的输出都是带限幅作用的，限制电压决定了它们的输出最大值。带电压内环的三环直流调速系统是建立在转速、电流双闭环直流调速系统之上的直流控制系统，它通过在双闭环回路中引入电压调节器 AVR，把晶闸管整流后的反馈电压与电流调节器 ACR 的电压相加送西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页至 AVR，从而达到电压调节的作用。根据其物理系统建立数学模型，利用科学与工程计算工具 MATLAB 所提供的 SIMULINK 进行动态建模，在计算机上进行仿真实验。速度调节及抗负载和电网扰动，采用电压内环的三 PI 调节器，可获得良好的动静态效果。为保证快速性，电压环采用比例调节器。电流环校正成典型 I 型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型型系统。对于设计、调试各种新型调速系统具有开放性强、结构易修改、重复利用率高等优点。本文对三闭环直流调速系统进行设计并仿真。仿真结果表明：电压内环的三闭环调节器能使系统具有更好地调节品质，具有更强的鲁棒性和抗干扰能力。关键词：直流调速系统 电压内环 调节器 系统建模仿真 工程设计方法西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页第一章 概述转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好，应用最为广泛的直流调速系统，可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围本文的电压环、电流环、转速换都是采用的反馈闭环控制。主要是反馈控制系统有其基本的规律：一方面能够有效地抑制一切被反馈环包围的前向通道上的扰动，反馈闭环控制系统对于被负反馈环包围的前向通道上的一切扰动（Kp 变化、电网波动、电阻变化、励磁变化）都能有效地加以抑制；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。另外，系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。采用 PI 调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 的恒流过程。按照反馈控制规律，dmI采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。为了更好的对电网电压的扰动进行很好的抑制，采用电压内环反馈控制，加快了对其扰动的抑制，加强了系统的稳定性。本文通过对带电压内环的三闭环直流调速系统各参数的计算，设计出系统的 MATLAB 仿真模型，通过仿真可以看到，系统可以实现调速、抗扰等功能。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页第二章 设计任务与要求2.1 设计任务（1）通过对一个实用的带电压内环的三环直流调速系统的设计、安装、调试来综合运用科学理论知识，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新能力进一步提升，使学生获得控制技术工程的基本训练。（2）通过系统建模和仿真，掌握用 MATLAB / Simulink 工具分析设计直流电动机速度控制系统的方法。（3）进一步掌握各种直流调速系统的性能，尤其是动态性能。2.2 设计内容 （1）理论设计：根据所学的理论知识和实践技能，了解带电压内环的基本原理，解决积分调节器的饱和非线性问题；采用工程设计方法设计一个带电压内环的三环直流调速系统(含主电路和控制电路,选择的元器件，系统的电气原理图)。 （2）仿真实践：根据所设计系统，利用MATLAB/Simulink建立各个组成部分相应的数学模型，并对系统仿真模型进行综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真实验波形和合适控制器参数，为搭建实际系统提供参考。（3）动手实践：根据所设计系统，完成单元电路安装、系统组装、单元及系统调试（可利用实验台的某些挂件），得出实物实验波形和系统动、静态性能。 2.3 设计要求西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页2.3.1 技术参数 直流电动机：额定功率 3KW，额定电压 220V，额定电流17.5A，GD 2=5.3Nm 额定转速 1980r/min，C e =0.13Vmin/r，允许过载倍数 =1.5； 晶闸管装置放大系数：K S=33； 电枢回路总电阻：Ra=1.25, Rrec =0.3, RL =0.25；L=180 mH 时间常数：机电时间常数 Tm=0.162s，电磁时间常数：T L =0.1s 电流反馈系数： =0.36V/A（10V/I nom 10V/1.5Inom） ； 转速反馈系数：=0.0067Vmin/r（10V/n nom 10V/1.5n nom） ； 反馈滤波时间常数: T on =0.02s，T oi =0.002s；其它未尽参数可参阅教材中“工程设计方法举例” 的有关数据。2.3.2 设计要求 调速范围 D=10，静差率 S 5；稳态无静差，电流超调量 i 5%,电流脉动系数 Si 10；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 n 10， 空载起动到额定转速时的过渡过程时间 0.5s。st 系统具有过流、过压、过载和缺相保护。 触发脉冲有故障封锁能力。 对拖动系统设置给定积分器。2.3.3 电机拖动控制系统设计与仿真根据所提供电动机参数，画出带电压内环的三环直流调速系统结西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 6 页构图，根据电流超调量、转速超调量、电流变化率等指标，用工程设计方法决定转速调节器、电流调节器、电压调节器结构和参数，并对该调速系统进行 simulink 仿真。2.3.4 安装单元电路并实验、进行系统组装及调试，进行系统测试。第三章 理论设计3.1 方案论证按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电压、电流内环，后设计转速外环） 。在三闭环系统中